Цвет в наноструктурированном покрытии из алюминиевого сплава
 Скачать 1.76 Mb.
|
|
ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ТОМ ЧАСТИЦЫ КОРУНДА нм, зеленый цвет) в наноструктуриро- ванном покрытии из алюминиевого сплава. МИКРО- ФОТОГРАФИЯ СРЕЗОВ пленок ПА-6, подвергнутых крейзингу в жидкой среде. Классический крейзинг с. с. Развитие технологий, связанных с исследованием, созданием и использованием наноматериалов, в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности в электронике, информатике, материаловедении, энергетике, машиностроении, биологии, медицине, сельском хозяйстве, эко- логии. Нанотехнологии рассматриваются ведущими странами как рычаг для приобретения мирового экономического, финансового, политического и военного господства. Развивающиеся страны рассматривают государственную поддержку развития нанотехнологии как наиболее эффективный способ подъема своего промышленного производства и вхождения в мировой рынок с конкурентной продукцией широкого применения. Объектом исследований в этих странах является широкий круг на- номатериалов конструкционного и функционального классов, нано- материалов электронной техники, биотехнологии и медицины и т.д. (табл. Решение комплексных задач по созданию производства наномате- риалов конструкционного и функционального назначений в РФ реализуется в основном в рамках ФЦП «Исследования и разработки по при- И.В. Горынин ФГУП ЦНИИ КМ Прометей, 191015, г. С.-Петербург, ул. Шпалерная, Поступила в редакцию Принята в печать 21.03.2007 УДК Создание конструкционных наноматериалов на сегодняшний день является одной из наиболее востребованной, нов тоже время наименее изученной областью нанотехнологий. Успешная реализация первоочередных задач поэтому направлению требует проведения комплексных исследований по широкому спектру нанотехнологий, находящихся в настоящее время на разных периодах освоения. Во ФГУП ЦНИИ КМ Прометей в настоящее время проводятся исследования последующим основным направлениям исследований и разработок в области нанотехнологий конструкционных материалов: разработки конструкционных наноматериалов, включающих в себя создание объемных наноструктур конструкционных материалов и нанокомпозитов; инжиниринг наноструктурированной поверхности; фрагментация структуры методами интенсивной пластической деформации и воздействия физических полей; разработка способов получения исходных наноматериалов в виде порошков, нанопроводов и аморфных лент. В этих направлениях, на основании имеющегося в институте научно-технического задела, уже получены реальные практические результаты, и прежде всего — для решения проблем машиностроения, морской техники, ТЭК, водородной и альтернативной энергетики, электромагнитной экологии. Однако успешное решение всего комплекса научных, технических и технологических задач по развитию в России индустрии конструкционных наноматериалов может быть реализовано только за счет создания соответствующей государственной инфраструктуры и определения головной организации поэтому приоритетному направлению, способной консолидировать усилия ведущих материаловедческих организаций страны Ë ‡Á‡·ÓÚÍË îÉìè ñçàà äå «èÓÏÂÚÂÈ» ‚ ӷ·ÒÚË ÍÓÌÒÚÛ͈ËÓÌÌ˚ı ̇ÌÓχÚ¡ÎÓ‚ ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé 37 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé W W W. N A N O R F. R U | ТОМ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ оритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы, целью которой является консолидация и концентрация ресурсов на перспективных направлениях в области наноматериалов, критически важных для технологической и экономической безопасности РФ. Одним из таких важнейших направлений является разработка конструкционных наноматериа- лов. Материаловедение конструкционных наноматериалов и наносис- тем представляет собой комплекс научно-технических проблем, решение которых должно быть направлено не только на изучение масштабного фактора (уменьшение величины частиц, элементов или структурно и на исследование принципиально новых явлений, присущих наномасштабу. Создание конструкционных на- номатериалов находится на начальной стадии развития полезных для практики направлений исследований и разработок и требует использования широкого спектра новых нанотехнологий табл. Такой подход характерен для большинства исследований, проводимых по наноматериалам в рамках федеральных программ ведущих зарубежных стран. Например, в обширной программе Structural Mate- rial and Devices, посвященной конструкционным материалами устройствам, предлагается целый ряд НИОКР по 16-ти технологиям синтеза, производства и обработки порошковых наноматериалов, пленок, покрытий, нанокомпозитов и объем- но-наноструктурированных материалов конструкционного назначения Комплекс научно-технических проблем конструкционных нанокомпози- тов, решаемых во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», включает в себя: Создание исходных материалов конструкционного назначения в виде порошков, нановолокон, на- нопроводов и аморфных лент мето- дами: газофазного- и механосинтеза; плазмохимического синтеза; управляемой кристаллизации из аморфного состояния; осаждения из коллоидных рас- творов. Формирование объемных наноструктур конструкционных материалов и нанокомпозитов посред- ством: направленного термического воздействия (термообработки) для создания в объеме стали (сплава) на- ноструктурных образований (выде- лений); создания металломатричных, по- лимероматричных и металлополи- мероматричных нанокомпозитов; использования высокоэнергетических технологий модифицирования расплава и твердофазного перфорирования нанопорошков. Инжиниринг наноструктуриро- ванной поверхности: нанесение наноструктурирован- ных покрытий; активация поверхности; модификация поверхности. Создание конструкционных на- номатериалов за счет фрагментации структуры методами интенсивной пластической деформации и воздействия физических полей (ультразвук, наведенные сильные электромагнитные поля, импульсное электрофизическое воздействие, взрывное формование). Решение таких сложных проблем современного материаловедения требует проведения большого цикла фундаментальных и прикладных исследований как по развитию важнейших наукоемких на- нотехнологий, таки по созданию диагностической базы. Реализация этих задач базируется на реальном научно-техническом заделе, имеющемся во ФГУП ЦНИИ КМ Прометей Требования к создаваемым институтом материалам для морской техники, атомной и тепловой энергетики, машиностроения определяются спецификой их использования в экстремальных условиях эксплуатации. Наличие коррозионных сред, высокие удельные нагрузки, цикличность нагружения, широкий диапазон температур и целый ряд других условий обуславливают поиск новых металлических и неметаллических материалов, высокопрочных, пластичных и коррози- онно-стойких Для проведения всесторонних исследований в институте создан экспериментальный материало- ТАБЛИЦА 1 | Приоритетные направления развития наноматериалов за рубежом ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ТОМ U 38 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ТАБЛИЦА 2 | Новые нанотехнологии, осваиваемые в ЦНИИ КМ Прометей для создания конструкционных наноматериалов 39 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé W W W. N A N O R F. R U | ТОМ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ ведческий комплекс. Основу комплекса составляет оборудование для структурных исследований металлических и неметаллических материалов, включающее растровые и просвечивающие электронные микроскопы, микроанализа- торы, рентгеновские дифрактометры, приборы для оптической и атомно-силовой микроскопии, Оже-спектроскопии, обеспечивающие изучение внутреннего строения материалов при разработке и производстве сталей и при создании технологий получения аморфных, нанокристаллических и сверхмелкозернистых объемных материалов и покрытий. Институт располагает просвечивающими электронными микроскопами и позволяющими получать светло- польные и темнопольные изображения с увеличением до 300 000 крат и, следовательно, выявлять всевозможные типы нано-, микро- и ме- зоструктурных элементов, а также РИСУНОК 1 | Формирование высокопрочных ультрадисперсных и наноструктурных состояний в коррозионно-стойкой высокоазотистой аустенитной стали базовой композиции 04Х20Н6Г11М2АФБ при термической и термомеханической обработке [1]: а, б — образование наноразмерных выделений нитрид- ной фазы после горячей прокатки, отжига при 1050 Си длительной выдержки при 700 С ; (б — темнопольное изображение наночастиц в рефлексе g = (111) VN ); в, г — формирование декорированных нанофазными выделениями малоугловых дислокационных границ после горячей прокатки и отжига при 1050°С; деформирование ультрадисперсных фрагментированных структур после интенсивной горячей деформации и закалки с прокатного нагрева. а) б) в) г) д) е) в) ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ТОМ U 40 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë получать количественную информацию об их форме, размерах и характере распределения по размерам. Сочетание водном приборе возможностей микроскопа высокого разрешения, тонкого дифракционного прибора и локального анализатора элементного состава обеспечивает однозначную идентификацию различных фаз и дефектов кристаллического строения. В лаборатории электронной микроскопии освоены практически все известные в мировой практике методы количественного анализа и кристаллографической аттестации структур деформации [3]. Разработанный в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» метод одиночных рефлексов (ОР) специально создан для изучения дисперсных структур реальных конструкционных материалов. Метод обеспечивает определение локальных ориентировок и разориентировок кристаллографических направлений с точностью не хуже 0,3° и позволяет проводить полную кристаллографическую аттестацию субкристалличе- ских и нанокристаллических объектов В качестве примера на рис. 1 приведены изображения структур, полученных методом ПЭМ при исследовании формирования высокопрочных ультрадисперсных и нанострук- турных состояний в коррозионно- стойкой высокоазотистой стали РИСУНОК 2 | Карты распределения локальных ориентировок в низкоуглеродистой стали после монотонного нагружения простым сдвигом до 60 % (аи сложного нагружения по схеме Баушингера до степени деформации 30% в прямом направлении ив обратном направлении (б график распределения коэффициента качества изображения дифракционных картин IQ (в) для различных схем нагружения ( • — простой сдвиг 30%, • • — простой сдвиг 60%, — нагружение по схеме Баушингера 30—30%, ∇ — нагружение по схеме Баушингера 30—60%). а) б) РИСУНОК 3 | Рельеф поверхности образца аморфной ленты — аи тот же участок в режиме картографирования упругих модулей — б). а) б) РИСУНОК 4 | Центр коллективного пользования ФГУП ЦНИИ КМ Прометей Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов 41 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé W W W. N A N O R F. R U | ТОМ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ Не менее мощным средством для исследования структуры материала является сканирующая электронная микроскопия (СЭМ. В институте эксплуатируется несколько приборов такого типа, в т.ч. Philips 535, Camscan — 4DV, х. Широкий диапазон увеличения позволяет исследовать большие участки микрошлифа, выбрать наиболее информативные зоны и детально изучить их при больших увеличениях. Установленная на микроскопе приставка для автоматизированного анализа дифракции обратноотраженных электронов) обеспечивает получение необходимой информации кристаллографического характера для объектов размером 500 нм ибо- лее и успешно применяется в настоящее время для анализа ультрадисперсных структур. В качестве примера на рис. 2 приведены полученные этим методом результаты анализа изменения локальных ориентировок в процессе сложного нагружения низкоуглеродистой стали по различным схемам смены пути деформирования В дополнение к рассмотренной электронно-зондовой технике институт располагает атомно-сило- вым микроскопом (АСМ) типа «Наноскан», предназначенным для исследования морфологии поверхности твердых тел с нанометровым разрешением. По своей разрешающей способности этот прибор существенно превосходит сканирующие электронные микроскопы, приближаясь к просвечивающей электронной микроскопии Особенностью данного прибора является возможность микроиден- тирования и изучение упругих характеристик поверхности нанома- териалов, тонких пленок и лент (рис. 3) Одновременно с развитием методов электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа не снижается значение базового метода изучения микроструктуры материала оптической микроскопии. Широкое применение приобретают системы цифровой металлогра- фии. Для исследования фазовых превращений и физических свойств материалов используются теплофизические, магнитные, дилатометрические и термические методы анализа, резистометрия и измерение внутреннего трения с привлечением современного физического оборудования, такого как лаборатория термического анализа HTU-2400 (Setaram), включающая методы дифференциальной сканирующей калориметрии, дифференциальной термогравиметрии и дифференциального термического анализа, приборы для измерения теплоемкости и теплопроводности, низкотемпературные и высокотемпературные дилатометры типа DI-20, высокоскоростной деформационный дилатометр, комплекс оборудования для исследования магнитных свойств материалов в широком диапазоне изменения намагничивающих полей и магнитных потоков. Полноту, достоверность и экс- прессность элементного анализа обеспечивают атомно-эмиссион- ный, атомно-абсорбционный и рентгенофлуоресцентный методы анализа сталей и сплавов. В 2005 г. на базе экспериментального материаловедческого комплекса создан Центр коллективного пользования (ЦКП) «Состав, структура и свойства конструкционных и функциональных материалов с целью эффективного использования имеющегося в составе ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» уникального экспериментального оборудования при проведении исследований, сопровождающих технологии получения новых перспективных материалов и изделий с заданными свойствами, сертификации металлических, композиционных, неметаллических материалов, разработки нанотехнологий получения наноматериалов различного функционального назначения, обеспечения подготовки квалифицированных специалистов и научных кадров высшей квалификации, развития научных школ по важнейшим направлениям науки, обеспечения выполнения проектов по приоритетным направлениям науки, техники и технологий РФ (рис. Основной задачей ЦКП является развитие экспериментальной базы и содействие решению проблем в рамках приоритетных направлений развития науки, техники и технологий РФ, критических технологий, определенных федеральной целевой программой на 2007—2012 гг. В рамках Госконтрактов №№ 02.451.11.7053 и 02.451.11.7015 по приоритетному направлению Программы были модернизированы растровые электронные микроскопы и Camebax- mikro путем оснащения их современной системой анализа дифракции обратнорассеянных электронов и современным детектором рентгеновского излучения. ЦКП оснащен современным комплексом пробоподготовки, обеспечивающим высокопроизводительную вырезку образцов, автоматизированную механическую шлифовку и полировку анализируемой поверхности без нарушения структуры материала, электролитическое полирование и утонение с целью изготовления тонких фольг. Выделим основные научно-тех- нические проблемы, на которых сконцентрировано внимание ЦКП: выявление механизмов и критических условий формирования объемных высокопрочных наност- руктурных состояний в низкоугле- родистых хромоникельмолибдено- вых сталях мартенситного класса за счет контролируемого распределения нанофазных выделений в узлах дислокационной сетки; выявление механизмов и критических условий формирования высокопрочных субмикро- и наност- руктурных состояний за счет явления фрагментации при интенсивной пластической деформации в процессе термопластической обработки феррито-перлитных сталей, алюминиевых сплавов и коррози- онно-стойких азотистых сталей ау- стенитного класса ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ТОМ U 42 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë установление закономерностей влияния поверхностных структур на формирование границы раздела металлов при сварке взрывом разнородных металлов, обеспечивающих высокую прочность соединений выявление фундаментальных закономерностей формирования фазового состава и дислокационной структуры в приграничных нанос- лоях контактной зоны при синтезе биметаллических соединений; установление корреляционной взаимосвязи между параметрами диссипативных структур, критерием диссипации механической энергии и механическими свойствами металлических материалов; разработка принципиальных схем конструирования антифрикционных композиционных материалов на полимерной основе с дисперсными модификаторами различной физической природы и наномас- штабного размера. Развитие аппаратурно-методи- ческого комплекса физико-анали- тических исследований конструкционных наноматериалов предполагает совершенствование информационного обеспечения и создание внутрилабораторных и межла- бораторных телекоммуникационных систем. При этом технические средства лабораторий осуществляют сбор и обработку информации о морфологических, физических, структурных и других характеристиках наноструктурированных материалов для последующего контроля и управления технологическим процессом, а также формирования и наполнения систематизированной базы знаний о процессах сборки атомных и субмолекуляр- ных комплексов, лежащих в основе получения новых конструкционных наноматериалов. Для обеспечения таких исследований в приборную базу аппаратур- но-методического комплекса вводится технический парк нового современного оборудования, в состав которого входят зондовые иди- фракционные приборы нанометрового разрешения и оборудование для физических исследований. Отличительной особенностью приборов и установок, предназначенных для работы в составе комплексной лаборатории, является автоматизированное управление работой комплекса посредством специализированных программ и получение необходимых информационных данных для сертификации, контроля, управления, обмена и централизованного хранения. Единый управляющий интерфейс должен обеспечить визуализацию объектов на- нометрического размера на двухмерных и трехмерных изображениях с последующими автоматизированными измерениями, статистической обработкой, систематизацией и хранением в базе данных, доступной для пользователей. Программный инструментарий обеспечит выявление, классификацию и количественную оценку объектов наноразмерного масштаба, асов- местно с программным инструментарием аналитического оборудования сопровождение технологического цикла исследований с протоколированием процедуры контроля и хранением в электронном виде результатов измерений физических, химических, морфологических, структурных и других характеристик в доступной базе данных Перспектива применения маг- нитомягких сплавов с аморфной и нанокристаллической структурой определяется тем, что в этих сплавах достигаются наивысшие значения начальной магнитной проницаемости и индукции насыщения (рис. 5) [10]. Видно, что аморфные сплавы на основе Co и нанокристаллические на основе Fe могут заменить пермаллои, традиционно используемые для экранирования магнитных полей. Кроме этого, еще одним важным преимуществом аморфных и нанокристаллических сплавов является нечувствительность их магнитных свойств к механическим деформациям, неизбежно возникающих при монта- |